เรียนรู้เกี่ยวกับพลังงาน

"นี่เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมาก" Xiaomeng Liu นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ในวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ของ UMass Amherst และผู้เขียนนำของหนังสือพิมพ์กล่าว "เรากำลังเปิดประตูกว้างเพื่อเก็บเกี่ยว พลังงาน ไฟฟ้าที่สะอาดจากอากาศที่เบาบาง" Jun Yao ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์แห่ง UMass Amherst และผู้เขียนอาวุโสของหนังสือพิมพ์กล่าวว่า "อากาศมีกระแสไฟฟ้าจำนวนมหาศาล" "ลองนึกถึงก้อนเมฆ ซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่ามวลของหยดน้ำ แต่ละหยดมีประจุไฟฟ้า และเมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสม เมฆก็สามารถสร้างสายฟ้าได้ แต่เราไม่รู้วิธีจับภาพได้อย่างน่าเชื่อถือ ไฟฟ้าจากฟ้าผ่าสิ่งที่เราทำคือการสร้างเมฆขนาดเล็กที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งผลิตไฟฟ้าให้เราคาดการณ์และต่อเนื่องเพื่อให้เราสามารถเก็บเกี่ยวได้" หัวใจของเมฆที่มนุษย์สร้างขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับสิ่งที่ Yao และเพื่อนร่วมงานเรียกว่า "เอฟเฟกต์ทั่วไปของ Air-gen" และต่อยอดจากผลงานที่ Yao และผู้ร่วมเขียน Derek Lovley ศาสตราจารย์พิเศษด้านจุลชีววิทยาที่ UMass Amherst ได้ทำสำเร็จไปก่อนหน้านี้ ในปี 2020 แสดงให้เห็นว่าสามารถเก็บเกี่ยวไฟฟ้าจากอากาศได้อย่างต่อเนื่องโดยใช้วัสดุพิเศษที่ทำจากสายนาโนโปรตีนที่ปลูกจากแบคทีเรียGeobacter sulfurreducens "สิ่ง ที่เรารู้หลังจากการ ค้นพบ จีโอแบคเตอร์ " เหยากล่าว "คือความสามารถในการผลิตกระแส ไฟฟ้าจากอากาศ ซึ่งตอนนั้นเราเรียกว่าวัสดุสามารถเก็บเกี่ยวไฟฟ้าจากอากาศได้ ตราบใดที่มันมีคุณสมบัติบางอย่าง" คุณสมบัตินั้น? "ต้องมีรูที่เล็กกว่า 100 นาโนเมตร (นาโนเมตร) หรือน้อยกว่าหนึ่งในพันของความกว้างของเส้นผมมนุษย์" นี่เป็นเพราะพารามิเตอร์ที่เรียกว่า "เส้นทางอิสระเฉลี่ย" ซึ่งเป็นระยะทางที่โมเลกุลเดี่ยวของสาร ในกรณีนี้คือน้ำในอากาศ เดินทางก่อนที่มันจะชนเข้ากับโมเลกุลเดี่ยวของสารเดียวกันอีกโมเลกุลหนึ่ง เมื่อโมเลกุลของน้ำแขวนลอยอยู่ในอากาศ เส้นทางอิสระเฉลี่ยของพวกมันคือประมาณ 100 นาโนเมตร เหยาและเพื่อนร่วมงานตระหนักว่าพวกเขาสามารถออกแบบเครื่องเกี่ยวนวดไฟฟ้าตามตัวเลขนี้ได้ เครื่องเก็บเกี่ยวนี้จะทำจากวัสดุชั้นบางๆ ที่เต็มไปด้วยรูพรุนระดับนาโนที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตร ซึ่งจะปล่อยให้โมเลกุลของน้ำผ่านจากส่วนบนลงล่างของวัสดุ แต่เนื่องจากรูพรุนแต่ละรูมีขนาดเล็กมาก โมเลกุลของน้ำจึงชนเข้ากับขอบรูพรุนได้ง่ายเมื่อผ่านชั้นบางๆ ซึ่งหมายความว่าส่วนบนของชั้นจะถูกระดมยิงด้วยโมเลกุลของน้ำที่มีประจุมากกว่าส่วนล่าง ทำให้เกิดความไม่สมดุลของประจุเช่นเดียวกับในเมฆ เมื่อส่วนบนเพิ่มประจุเมื่อเทียบกับส่วนล่าง สิ่งนี้จะสร้างแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ - แบตเตอรี่จะทำงานตราบเท่าที่มีความชื้นในอากาศ "แนวคิดนี้เรียบง่าย" เหยากล่าว "แต่ไม่เคยมีใครค้นพบมาก่อน และเปิดโอกาสความเป็นไปได้ทุกรูปแบบ" เครื่องเกี่ยวนวดสามารถออกแบบจากวัสดุทุกชนิดอย่างแท้จริง เสนอทางเลือกที่หลากหลายสำหรับการผลิตที่คุ้มค่าและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม "คุณสามารถนึกภาพรถเกี่ยวข้าวที่ทำจากวัสดุประเภทหนึ่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่เป็นป่าฝน และอีกประเภทหนึ่งสำหรับพื้นที่ที่แห้งแล้งกว่า" และเนื่องจากความชื้นมีอยู่ตลอดเวลา รถเกี่ยวข้าวจะทำงานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน ไม่ว่าฝนตกหรือแดดออก ในเวลากลางคืนและไม่ว่าลมพัดมาหรือไม่ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาสำคัญประการหนึ่งของเทคโนโลยี เช่น ลมหรือแสงอาทิตย์ ซึ่งทำงานภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น . ประการสุดท้าย เนื่องจากความชื้นในอากาศกระจายตัวในพื้นที่สามมิติ และความหนาของอุปกรณ์ Air-gen นั้นเป็นเพียงเศษเสี้ยวของความกว้างของเส้นผมมนุษย์ จึงสามารถวางซ้อนกันหลายๆ พันชิ้นทับกัน ทำให้เพิ่มปริมาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ ของพลังงานโดยไม่เพิ่มรอยเท้าของอุปกรณ์ อุปกรณ์ Air-gen ดังกล่าวจะสามารถส่งพลังงานระดับกิโลวัตต์สำหรับการใช้งานไฟฟ้าทั่วไป "ลองจินตนาการถึงโลกอนาคตที่มีไฟฟ้าสะอาดใช้ได้ทุกที่ที่คุณไป" เหยากล่าว "ผลกระทบทั่วไปของ Air-gen หมายความว่าโลกในอนาคตนี้สามารถกลายเป็นความจริงได้"